DE19508284A1 - Optisches Sende-Empfangs-Modul - Google Patents

Optisches Sende-Empfangs-Modul

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Description

Diese Erfindung bezieht sich allgemein auf das Gebiet der Optoelektronik und insbesondere auf das Gebiet der optischen Kommunikation.
Die Verwendung einer Licht-emittierenden Diode ("LED") und entweder einer Photodiode oder eines Phototransistors zusam­ men mit einer geeigneten Versorgungsschaltung, um ein opti­ sches Sende-Empfangs-Gerät zu bilden, ist bekannt. Ein typi­ scher Kommunikationskanal wird mittels zweier derartiger op­ tischer Sende-Empfangs-Geräte realisiert, wobei die LED in dem ersten Sende-Empfangs-Gerät in einer optischen Verbin­ dung mit der Photodiode oder dem Phototransistor in dem zweiten Sende-Empfangs-Gerät steht, und die LED in dem zwei­ ten Sende-Empfangs-Gerät in einer optischen Verbindung mit der Photodiode oder dem Phototransistor in dem ersten Sen­ de-Empfangs-Gerät steht. Ein solches Paar von Sende-Emp­ fangs-Geräten bildet einen optischen seriellen Kommunika­ tionskanal. Die Sende-Empfangs-Geräte arbeiten typischerwei­ se in dem optischen Infrarot-Frequenzband ("IR"-Frequenz­ band).
Bekannte Realisierungen dieser optischen Sende-Empfangs-Ge­ räte besitzen mehrere Mängel. Sie sind aus einer Mehrzahl von diskreten Komponenten aufgebaut, die zusammen einen we­ sentlichen Anteil der Schaltungsplatinenfläche ("PCB"; PCB = Printed Circuit Board) besetzen. Bei allen bekannten Reali­ sierungen sind die LED und die Photodiode oder der Photo­ transistor diskrete Geräte mit zwei oder drei Anschlußstif­ ten. Diese Komponenten erfordern oftmals ein manuelles Ein­ fügen in die Schaltungsplatine und eine anfängliche manuelle Ausrichtung und unterliegen stets dem Verlust dieser Aus­ richtung, da das Gehäuse mit den zwei oder drei Anschluß­ stiften nicht sehr stabil ist und leicht verbogen oder be­ schädigt werden kann. Die Anzahl der Stellungen, in denen die Komponente in oder auf der Schaltungsplatine befestigt werden kann, um einen durchführbaren Kommunikationskanal zu bilden, ist ebenfalls sehr begrenzt.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein inte­ griertes optisches Sende-Empfangs-Gerät und ein Gehäuse für daßelbe zu schaffen, das leicht und dauerhaft in einer be­ liebigen Anzahl von Stellungen in oder auf einer Schaltungs­ platine installiert werden kann und weniger Schaltungsplati­ nenfläche besetzt als bekannte Sende-Empfangs-Geräte.
Diese Aufgabe wird durch ein optisches Sende-Empfangs-Gerät gemäß Anspruch 1 und ein Gehäuse gemäß Anspruch 3 gelöst.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung des optischen Sende-Empfangs-Ge­ räts zu schaffen.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Herstellen eines optischen Sende-Empfangs-Geräts gemäß Patentanspruch 8 ge­ löst.
Die vorliegende Erfindung weist ein optisches Sende-Emp­ fangs-Modul auf, wobei eine Vielzahl von elektronischen Komponenten des Moduls als eine einzige integrierte Schal­ tung ("IC"; IC = Integrated Circuit) ausgebildet sind. Die LED- und PIN-Photodioden bleiben jedoch diskrete Komponen­ ten. Die integrierte Schaltung und die notwendigen diskreten Komponenten werden dann mit einem einzigen Anschlußleitungs­ rahmen gekoppelt. Die Kombination des Anschlußleitungsrah­ mens und der Schaltung werden dann in ein Kunststoff-artiges Material eingekapselt. Das resultierende Sende-Empfangs-Ge­ rät weist ein einziges Gehäuse auf, das in mehreren ver­ schiedenen Stellungen in oder auf einer Schaltungsplatine befestigt werden kann. Das Gehäuse ist nach der Befestigung sehr starr, wodurch sichergestellt ist, daß sich die opti­ sche Ausrichtung nach der anfänglichen Installation nicht wesentlich ändert. Das Gehäuse ist ferner derart anpaßbar, daß Montageroboter verwendet werden können, um die Sende- Empfangs-Geräte zu befestigen. Die verschiedenen Befesti­ gungsstellungen machen es nur erforderlich, daß die An­ schlußleitungen des Anschlußleitungsrahmens nach der Ein­ kapseloperation unterschiedlich gebogen sind. Da nur ein Anschlußleitungsrahmen, ein Gehäuseentwurf und eine Guß­ operation erforderlich sind, um ein Sende-Empfangs-Gerät zu erzeugen, das in mehreren verschiedenen Stellungen befestigt werden kann, sind die Kosten der Herstellung des Sende-Emp­ fangs-Geräts relativ gering gehalten.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein Blockdiagramm des Schaltungsaufbaus der vor­ liegenden Erfindung;
Fig. 2a und 2b, wie ein erstes Ausführungsbeispiel der vor­ liegenden Erfindung zusammengesetzt ist;
Fig. 3a bis 3d eine Vorderansicht, bzw. eine erste, zweite und dritte Seitenansicht der vorliegenden Erfindung;
Fig. 4 eine erste Befestigungsstellung der vorliegenden Er­ findung;
Fig. 5 eine zweite Befestigungsstellung der vorliegenden Erfindung; und
Fig. 6 eine dritte Befestigungsstellung der vorliegenden Erfindung.
Fig. 1 ist ein Blockdiagramm, das die elektronischen Kompo­ nenten des ersten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Er­ findung zeigt. Bei einem optischen Sende-Empfangs-Modul 10 treibt eine Serienimpuls-Eingangsleitung 11 einen Leistungs­ transistor 12, der wiederum mit einer LED 14 gekoppelt ist und dieselbe treibt, welche eine IR-LED (Infrarot-LED) mit einer Spitzenausgangswellenlänge von 870 Nanometern ist. Ei­ ne Silizium-Photodiode 16 empfängt die ankommenden Impulse des IR-Lichts. Die Ausgabe der Photodiode 16 wird zu einem Empfänger-Vorverstärker 18 gekoppelt. Die Ausgabe des Vor­ verstärkers 18 wird dann wiederum zu einem Nachverstärker 20 gekoppelt. Sowohl der Vorverstärker als auch der Nachver­ stärker 18 und 20 sind bekannte Operationsverstärker. Die Ausgabe des Nachverstärkers 20 wird zu einem Analog/Digi­ tal-Wandler 22 gekoppelt, der die elektrischen Impulse, die von dem Nachverstärker 22 empfangen werden, in CMOS/TTL- kompatible (TTL = Transistor-Transistor-Logik), logische Impulse umwandelt. Diese Impulse werden von dem Sende-Emp­ fangsgerät über eine Ausgangsleitung 23 übertragen.
Die Fig. 2a und 2b zeigen die elementaren Schritte, die er­ forderlich sind, um ein erstes Ausführungsbeispiel der vor­ liegenden Erfindung herzustellen. Wie in Fig. 2a gezeigt ist, wird eine integrierte Schaltung 101 an einem Anschluß­ leitungsrahmen 103 befestigt. Kondensatoren 102, eine LED 104 und eine Photodiode 106 werden ebenfalls mit dem An­ schlußleitungsrahmen 103 gekoppelt. In Fig. 2b ist der An­ schlußleitungsrahmen 103 in eine Gußmaschine (nicht gezeigt) eingefügt, wobei die integrierte Schaltung 101, die Konden­ satoren 102, die LED 104 und die Photodiode 106 an demselben befestigt sind. Der Körper des Sende-Empfangs-Geräts 105 ist um die Kombination des Anschlußleitungsrahmens und der inte­ grierten Schaltung gegossen. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist MG-18 Hysol verwendet, um den Körper des Sende-Emp­ fangs-Geräts zu bilden. Dem Gußmaterial wurde ein spektraler Farbstoff zugesetzt, der dasselbe für IR-Licht einer Spit­ zenwellenlänge von etwa 870 Nanometer durchlässig und für Licht anderer Wellenlängen undurchlässig beläßt.
Wie in den Fig. 3a bis 3d gezeigt ist, ist das Sende-Emp­ fangs-Gerät 120 mit einer ersten gegossenen Linsenform 121 über der LED (nicht gezeigt) und einer zweiten gegossenen Linsenform 123 über der Photodiode (nicht gezeigt) gebildet. Anschlußleitungsrahmen-Abgriffstellen 124 erstrecken sich von dem Körper des Sende-Empfangs-Geräts 120 und liefern ei­ ne zusätzliche Unterstützung, sobald das Sende-Empfangs-Ge­ rät 120 auf einer Schaltungsplatine befestigt ist. Die An­ schlußleitungen 126 wurden bei dieser Darstellung in kein spezielles Installationsmuster gebogen. Ein Befestigungsfuß 128 liefert in bestimmten Befestigungsstellungen ebenfalls eine strukturelle Unterstützung für das Sende-Empfangs-Gerät 120.
Die Fig. 4, 5 und 6 zeigen, wie die vorliegende Erfindung mittels des bloßen Formens der Anschlußleitungen 126 auf verschiedene Arten in mehreren möglichen Ausrichtungen be­ festigt werden kann. In Fig. 4 wurde das Sende-Empfangs- Gerät 120 mittels der Oberflächenbefestigungstechnik be­ festigt, wobei der Kommunikationskanal in eine Richtung senkrecht zu der Schaltungsplatine wirksam ist. Es sollte offensichtlich sein, daß die Sende-Empfangs-Gerät-Anschluß­ leitungen mittels einer Oberflächentechnik befestigt sein können oder durch die Schaltungsplatine hindurch eingefügt sein können, ohne den Sende-Empfangs-Geräte-Körper in ir­ gendeiner Weise zu ändern. Die einzigen Änderungen, die er­ forderlich sind, um die Befestigungsstellung zu ändern oder zwischen einer Oberflächenbefestigung und einer Durchgangs­ lochbefestigung zu wechseln, sind die Veränderungen beim Biegen der Anschlußleitungen 126 und deren endgültige Länge. Bei der Befestigungsstellung, die in Fig. 4 gezeigt ist, sitzt der Befestigungsfuß 128 (nicht gezeigt) auf der Ober­ seite der Schaltungsplatine und stabilisiert das Sende-Emp­ fangs-Gerät zusätzlich.
Fig. 5 zeigt das Sende-Empfangs-Gerät 120, das senkrecht zu der Schaltungsplatine befestigt ist, wobei der Kommunika­ tionskanal parallel zu der Schaltungsplatine wirksam ist. In dieser Ausrichtung liefert der Befestigungsfuß 128 keine zu­ sätzliche Unterstützung für das Sende-Empfangs-Gerät. Diese Unterstützung wird durch die Anschlußleitungsrahmen-Abgriff­ stellen 124 vorgesehen, die gebogen sind und in Löcher auf der Seite des Sende-Empfangs-Geräts eingefügt sind.
Eine weitere mögliche Befestigungsstellung ist in Fig. 6 ge­ zeigt. In dieser Stellung verläuft der optische Kommunika­ tionskanal parallel zu der Schaltungsplatine, wie in der Stellung, die in Fig. 5 gezeigt ist. Jedoch ist bei der Stellung, die in Fig. 6 gezeigt ist, der Kanal in der glei­ chen Ebene wie die Schaltungsplatine. Eine Kerbe, die in die Schaltungsplatine geschnitten ist, ermöglicht es, daß das Sende-Empfangs-Gerät 120 derart befestigt und gebogen wird, daß die LED und der Phototransistor in die Kerbe passen und nach außen gerichtet sind. Die Anschlußleitungsrahmen-Ab­ griffstellen 124 liefern in dieser Stellung eine Unterstüt­ zung für das Sende-Empfangs-Gerät.
Eine Durchgangsloch- oder Oberflächen-Befestigung kann mit­ tels des unterschiedlichen Formens der Anschlußleitungen 126 auf alle diese Befestigungsstellungen angepaßt werden. Bei allen diesen Befestigungsstellungen liefern entweder der ge­ formte Befestigungsfuß 128 oder die Anschlußleitungsrahmen- Abgriffstellen 124 eine strukturelle Unterstützung. Die vor­ liegende Erfindung schafft folglich ein optisches Kommunika­ tions-Sende-Empfangs-Gerät, das auf viele unterschiedliche Arten auf einer Schaltungsplatine befestigt werden kann, und das ordnungsgemäß ausgerichtet bleibt, ausgenommen bei einer unvorhergesehenen Beschädigung der Schaltungsplatine, auf oder in der das Sende-Empfangs-Gerät befestigt wurde.
Es ist ohne weiteres offensichtlich, daß bei den Anwendun­ gen, bei denen ein paralleler optischer Kommunikationskanal erwünscht sein kann, mehrere LED/Phototransistor-Paare in einem einzigen Gehäuse eingeschlossen sein könnten, und daß der zusätzliche Schaltungsaufbau, der erforderlich ist, um derartige Operationen zu unterstützen, ebenfalls auf der einzigen integrierten Schaltung, die hierin verwendet ist, hergestellt sein könnte, oder als diskrete Komponenten aus­ gebildet sein könnte und mit dem Anschlußleitungsrahmen und der integrierten Schaltung gekoppelt sein könnte.

Claims (9)

1. Optisches Sende-Empfangs-Gerät (120) mit folgenden Merk­ malen:
einer ersten optischen Sende-Empfangs-Schaltung (10), die zumindest eine Licht-emittierende Sendediode und ei­ nen Empfangs-Phototransistor aufweist;
einem Anschlußleitungsrahmen (103) mit einer Mehrzahl von Anschlußleitungen, auf denen die erste optische Sen­ de-Empfangs-Schaltung (10) befestigt ist und mit denen die optische Sende-Empfangs-Schaltung (10) gekoppelt ist; und
einem gegossenen Gehäuse (105), das den Anschlußlei­ tungsrahmen und die optische Sende-Empfangs-Schaltung umgibt, wobei das gegossene Gehäuse für das Licht, das von der Licht-emittierenden Diode erzeugt wird und von dem Phototransistor empfangen wird, im wesentlichen transparent ist, wobei sich die Anschlußleitungen des Anschlußleitungsrahmens (103) von dem Gehäuse (105) er­ strecken, und wobei das Sende-Empfangs-Gerät (120) eine Mehrzahl von Befestigungsstellungen abhängig von der endgültigen Konfiguration der Anschlußleitungen, die sich von dem Gehäuse (105) erstrecken, aufweist.
2. Optisches Sende-Empfangs-Gerät gemäß Anspruch 1, bei dem die optische Sende-Empfangs-Schaltung ferner folgende Merkmale aufweist:
eine Infrarotlicht-emittierende Diode (14);
einen Leistungstransistor (12), der mit der Infrarot­ licht-emittierenden Diode (14) gekoppelt ist, zum Trei­ ben der Infrarotlicht-emittierenden Diode (14);
eine Photodiode (16), die eine Infrarotstrahlung in ei­ nen elektrischen Strom umwandelt; und
eine Empfängerschaltung (18, 20), die mit der Photodiode gekoppelt ist, zum Verstärken und Umwandeln des elektri­ schen Stroms.
3. Gehäuse (120) für ein optisches Sende-Empfangs-Gerät mit folgenden Merkmalen:
einem Anschlußleitungsrahmen (103) zum Befestigen des Schaltungsaufbaus (10) eines optischen Sende-Empfangs- Geräts, wobei der Schaltungsaufbau die Funktionen des optischen Sende-Empfangs-Geräts durchführt, wobei der Anschlußleitungsrahmen (103) eine Mehrzahl von Ausgangs­ anschlußleitungen aufweist, wobei der Schaltungsaufbau in dem Anschlußleitungsrahmen befestigt und mit den Aus­ gangsanschlußleitungen gekoppelt ist; und
einer Ummantelung (105), die den Anschlußleitungsrahmen (103) und den Schaltungsaufbau (10) umgibt, wobei die Ummantelung (105) für Licht einer vorbestimmten Wellen­ länge durchlässig ist, wobei die Ummantelung (105) zu­ sätzlich Trägerbeine (124, 128) aufweist, die das Tragen des Gehäuses nach der Installation des Gehäuses in vor­ bestimmten Stellungen unterstützen.
4. Gehäuse (120) gemäß Anspruch 3, bei dem der Anschlußlei­ tungsrahmen (103) ferner eine Mehrzahl von Trägeran­ schlußleitungen (124) aufweist, die einen Teil des An­ schlußleitungsrahmens (103) bilden, keine Kopplung zu dem Schaltungsaufbau (10) darstellen und eine zusätz­ liche Unterstützung für das Gehäuse (120) nach der In­ stallation des Gehäuses liefern.
5. Das Gehäuse (120) gemäß Anspruch 3 oder 4, bei dem die Ummantelung (105) eine erste und eine zweite Linse (121, 123) aufweist, wobei die erste Linse (123) Licht auf ei­ ne Photodiode (16), die einen Teil des Schaltungsaufbaus bildet, fokussiert, und die zweite Linse (121) Licht, das von einer Licht-emittierenden Diode (14), die einen Teil des Schaltungsaufbaus (10) bildet, emittiert wird, fokussiert.
6. Gehäuse gemäß einem der Ansprüche 3 bis 5, bei dem die Anschlußleitungen des Anschlußleitungsrahmens (103) der­ art gebildet sind, daß das Gehäuse auf einer Schaltungs­ platine befestigt werden kann, wobei Licht von dem Sen­ de-Empfangs-Gerät senkrecht zu der Schaltungsplatine ge­ sendet und empfangen wird.
7. Gehäuse gemäß einem der Ansprüche 3 bis 5, bei dem die Anschlußleitungen des Anschlußleitungsrahmens (103) der­ art gebildet sind, daß das Gehäuse auf einer Schaltungs­ platine befestigt werden kann, wobei Licht von dem Sen­ de-Empfangs-Gerät parallel zu der Schaltungsplatine ge­ sendet und empfangen wird.
8. Verfahren zum Herstellen eines optischen Sende-Emp­ fangs-Geräts (120), das in einer Mehrzahl von Befesti­ gungsstellungen befestigt und betrieben werden kann, wo­ bei das Verfahren folgende Schritte aufweist:
Befestigen des optischen Sende-Empfangs-Schaltungsauf­ baus auf einem Anschlußleitungsrahmen (103);
Koppeln des optischen Sende-Empfangs-Schaltungsaufbaus (10) mit dem Anschlußleitungsrahmen (103); und
Einkapseln des Anschlußleitungsrahmens (103) und des op­ tischen Sende-Empfangs-Schaltungsaufbaus (10) in ein Einkapselungsmaterial.
9. Verfahren gemäß Anspruch 8, das ferner den Schritt des Biegens des Anschlußleitungsrahmens (103) nach dem Ein­ kapselungsschritt aufweist, um die Befestigung des opti­ schen Sende-Empfangs-Geräts (120) in einer Mehrzahl von Befestigungsstellungen zu ermöglichen.
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